高强钢结构抗震性能分析及经济性评价*

齐军帅， 杨书杰， 陈 琛， 王彦博

(1 深圳市华阳国际工程设计股份有限公司， 上海 201100； 2 同济大学土木工程学院， 上海 200092)

0 引言

随着我国社会经济的发展，建筑业产值逐年增加。相比于混凝土结构，钢结构因其自重轻、抗震性能好、施工速度快等特点，近年来在一大批民用建筑，尤其是多高层商业建筑中得到运用。强度是评价钢材性能的一个关键性指标，也是影响钢材价格的一个重要指标。初步研究发现，随着钢材强度的上升，其价格也随之上升，但其单位强度的价格却随之下降。另一方面，对于高层与超高层建筑，采用高强钢能够减小柱的截面尺寸从而增加有效使用面积，降低结构自重，减小上部结构对基础的作用力，降低基础造价，从而使结构更有经济性[1-3]。本文运用ETABS有限元分析软件对上海某拟建项目按照不同强度钢材的钢结构分别进行建模分析，并对其抗震性能和经济性进行了初步比较。

1 工程概况

本项目位于上海市，原有结构拆除重建，计划改造为集影院、商业、办公为一体的综合体，拟采用钢框架-中心支撑结构。初步拟定结构设计标高50.8m，地上14层，地下1层，下部建有3层裙楼。建筑外墙采用玻璃幕墙体系，楼板采用压型钢板组合楼板结构。底层平面尺寸为36m×39.2m,标准层平面尺寸为22.2m×24.9m。

抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，地震影响系数最大值为0.08，抗震设计等级为三级,建筑场地土类别为Ⅳ类,场地特征周期为0.90s,周期折减系数取0.9，小震作用下阻尼比为0.03，大震作用下阻尼比为0.05；基本风压按50年一遇取值0.55kN/m2，地面粗糙度为B类。

2 抗震性能分析

2.1 有限元建模

按照Q345，Q460，Q690三种不同强度钢材的结构进行建模比较，主要构件截面规格见表1，2，其中Q690钢结构的梁构件、10层边柱和11～14层框架柱采用Q460钢材，并在1～8层采用屈曲约束支撑(BRB)代替普通钢支撑。标准层结构平面图见图1，结构模型图与立面支撑布置分别如图2,3所示，活荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[4]取值。

结构主要柱截面/mm 表1

结构主要梁截面/mm 表2

图1 标准层结构平面图

图2 结构模型

图3 立面支撑布置

如图4所示，BRB的受压和受拉性能相当、延性与滞回性能好，BRB的滞回性能明显优于普通支撑[5-6]。BRB区别于普通支撑的最大特点是解决了普通支撑常见的受压屈曲问题，使得核心单元无论受拉还是受压都能达到全截面屈服[6]。罕遇地震作用下，钢结构框架柱、梁分别按柱铰(P-M2-M3)与梁铰(M3)进行考虑，普通支撑按轴力铰(P)考虑。BRB在ETABS软件中采用非线性Link单元Plsatic-Wen模型进行模拟，对截面的线性与非线性性质分别进行指定。其中屈服力按照罕遇地震作用下的最不利工况进行估算然后取值，有效刚度可以按照截面设计的屈服力与支撑长度进行计算，屈服后刚度比为0.014 7，其本构关系如图5所示。考虑到不同楼层所受到的剪力不同，分别采用人字形布置两种承载力的BRB，其基本参数如表3所示。

图4 滞回性能比较

图5 BRB本构关系

BRB基本参数 表3

2.2 多遇地震作用下的结构性能分析

在满足规范[7-8]要求和现有研究[9-10]结果对构件长细比以及宽厚比要求的条件下，对这3种钢结构分别进行了多遇地震作用下的性能分析，包括周期、周期比、层间位移角以及剪重比。同时为保证模型具有可对比性，对3种钢结构的主要构件应力比控制在接近的范围，其中边柱的应力比控制在0.80～0.85，中柱的应力比控制在0.90左右。

2.2.1 周期与周期比

多遇地震作用下的3种钢结构的前6阶周期见表4，Q345，Q460，Q690钢结构的周期比(以扭转为主的第一周期Tt与以平动为主的第一周期T1的比值)分别为0.66,0.66,0.67，均满足《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015)[7]对周期比小于0.9的要求。从中可以看出结构周期随材料强度增大而增加，结构刚度相对减小，在同样的多遇地震作用下，结构受到的地震力也相对较小。

主要周期比较/s 表4

2.2.2 层间位移角与剪重比

图6，7分别为3种钢结构在多遇地震作用下的层间位移角与剪重比。在多遇地震作用下，结构处于弹性状态，层间位移角随钢材强度的增大而略有增加，但均满足规范要求(不超过1/250)。由于Q690钢结构在1～8层采用了BRB，在多遇地震作用下BRB仅提供侧向支撑作用，其刚度相比于普通支撑较小。因此，Q690钢结构布置BRB楼层的层间位移角与另外两种布置普通支撑的钢结构层间位移角差距较大。而Q690钢结构的11～14层因布置的是普通支撑，层间位移角与Q460钢结构的层间位移角较为接近。

图6 多遇地震作用下层间位移角

图7 多遇地震作用下剪重比

2.3 罕遇地震作用下的结构性能分析

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[8]要求，选取两条天然波和一条人工波进行罕遇地震作用下弹塑性时程分析。本文仅提取了coaling-345天然波计算数据，其主方向波形结果如图8所示。

图8 coaling-345天然波

2.3.1 基本指标对比

采用时程分析方法和反应谱法(CQC)得到的3种钢结构的最大基底剪力对比见表5。

最大基底剪力对比/kN 表5

从表5中可知，Q690钢结构由于采用了高强钢与BRB支撑，结构刚度下降，周期增加，第1阶振型周期为2.956s。多遇地震作用下，Q690钢结构的最大基底剪力大幅下降，采用CQC法的最大基底剪力相比于Q345钢结构下降了16%。罕遇地震作用下，这3种钢结构的基底剪力时程曲线和顶点位移时程曲线分别如图9，10所示。由图9可知，罕遇地震作用下，采用时程分析方法计算得到的Q690钢结构最大基底剪力为13 153kN，相比其他两种钢结构，Q690钢结构在罕遇地震作用下的基底剪力也有大幅减小。

图9 基底剪力时程曲线

从图10可以看出， Q345，Q460钢结构的最大顶点位移分别是421，378mm。Q690钢结构的最大顶点位移是351mm，相比于Q345，Q460钢结构的最大顶点位移分别下降了17%，7%。

图10 顶点位移时程曲线

罕遇地震作用下，3种钢结构的层间位移角变化如图11所示，在Q690钢结构的1～8层采用了BRB，其在地震作用下进入塑性耗能状态，大幅降低了地震作用，Q690钢结构在罕遇地震作用下层间位移角较其他两种钢结构有了显著减小。但Q690钢结构1～4层的层间位移角则较其他两种钢结构偏大，原因是在1～4层采用了较小的柱截面，且BRB的刚度小于普通支撑。

图11 罕遇地震作用下的层间位移角

相比于Q345钢结构，Q690钢结构的层间位移角有一定的下降，在采用了较小的柱截面的情况下，Q690钢结构的平均层间位移角下降了11.7%，表现出了良好的抗震性能。

2.3.2 BRB耗能分析

在小震作用下，BRB的轴力较小，未进入塑性状态，滞回曲线为直线，未出现滞回环，BRB仅提供侧向支撑作用，此时其与普通支撑的作用无异。Q690钢结构布置BRB的1，2层轴力-位移曲线如图12所示。

图12 小震作用下轴力-位移曲线

Q690钢结构在1～8层采用了BRB，在罕遇地震作用下，其滞回性能如图13所示。在1层和2层中(图13(a),(b))，BRB出现了较为饱满的滞回环，其耗能性能较好；而在7层和8层(图13(c)，(d))，由于BRB受力较小，虽然也出现了滞回环，但其耗能远不如1层和2层的BRB。

图13 罕遇地震作用下轴力-位移曲线

累积能量分量如图14所示，Q345，Q460，Q690钢结构的总能量分别为16.7，9.8,6.8MJ，Q690钢结构相对于Q345钢结构，累积能量分量降幅高达59%。由此看出随着结构钢材强度的增大，框架梁、柱截面相应优化减小，从而在满足规范要求的同时，降低了结构刚度。

图14 不同钢结构的累积能量分量

Q345钢结构和Q460钢结构出塑性铰情况分别见图15，16，Q690钢结构框架部分未出现塑性铰。由此可见，相比于布置普通支撑的Q345，Q460钢结构，布置BRB的Q690钢结构的整体刚度小，在地震作用下，其输入的能量较少，具有较好的抗震性能。

图15 Q345钢结构塑性铰

图16 Q460钢结构塑性铰

3 经济性分析

经济性分析可以从钢材价格、用钢量和综合材料费、柱网占用面积、基础造价等方面进行讨论。下面对上述几方面分别进行探讨。

3.1 钢材价格分析

通过实地调查、电话联系等方式，调查了上海地区不同强度等级的钢材(工字钢、钢板)的价格，如图17所示。从图17可以看出，由于冶炼要求的提高，钢材随着强度的增加，单位重量的钢材价格不断上升，但单位强度钢材的价格却不断下降，这便为高强钢结构的经济可行性提供了必要条件，如能充分利用钢材的强度，则有利于提高结构的经济性。

图17 钢材价格分析

3.2 用钢量和综合材料费分析

从表6可看出，Q460钢结构用钢量仅为Q345钢结构的81%，在考虑了不同牌号钢材的价格差异后，Q460钢结构材料费比Q345钢结构降低了7.2%。Q690钢结构钢材单价为418元/m2，因采用了64根BRB，参考上海地区减震技术产品的市场价格，BRB的造价约为1.8万/根，由此，Q690钢结构的综合材料费约为545元/m2，比Q345钢结构提高了5.4%。

用钢量及材料费 表6

3.3 柱网占用面积

对不同钢结构柱网所占面积进行统计，相比于Q345钢结构，Q460钢结构与Q690钢结构柱网所占面积分别下降了25%与44%。Q690钢结构与Q460钢结构钢梁材质相同，二者相比Q345钢结构，框架梁累积高度从7.15m下降到了6.75m，下降了5%。可见，高强钢结构方案可有效增大建筑的可利用面积，有利于投资方获得更大的经济效益。

3.4 基础造价

一般而言，建筑工程的总投资，包括工程造价、动迁费用、征地费用等方面，结构造价约为工程造价的30%。结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价占总结构造价的50%～70%，Q460钢结构的用钢量为Q345钢结构的80%，大幅度降低了结构的自重，有利于降低基础结构的造价。综上所述，当使用高强度钢材时，Q690钢结构与Q460钢结构的钢材质量分别下降了33%与19%，结构自重的减轻意味着基础造价与难度的下降，也有利于加快结构的施工速度。除此之外，由于高强钢结构的用钢量较少，其在减少焊接、运输、吊装环节的工作量具有优势。

3.5 综合造价的潜在影响

根据目前市场情况，高强钢在建筑市场上应用相对较少，实际采用时还需考虑当地钢材供货情况及运输成本。另外，高强钢结构的焊接加工要求与普通钢结构焊接加工有一定差异，需要根据情况制定合理的施工方案以保证焊接质量，使用时也需考虑因高强钢焊接工艺而增加一些潜在的附加成本。

4 结论

(1)尽管高强钢的单价较高，但随着其强度的增加，单位强度的材料价格却不断下降，使用高强钢可以大幅减小钢结构的用钢量，仍具有一定的经济优势，如能充分利用其边际效益高的优势，经过合理的设计，可以降低造价。

(2)通过对比可知，Q690钢结构能够较好地降低结构刚度，减小地震作用的影响，减轻结构自重。在地震设防烈度较高的地区，该效果更为明显，也能更好地体现高强钢结构的经济性。

(3)BRB可以较好地吸收地震输入结构的能量，降低结构梁、柱构件受到的地震作用效应。从而可以避免或减小梁、柱等关键构件在罕遇地震作用下的损伤。BRB相对于结构梁、柱，维修替换较为方便，因此合理设置BRB的结构在罕遇地震作用下，维修成本较低，可形成潜在的经济效益。